JP2018169215A - ３次元測量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックレンジの拡大や走査時間の短縮を図ることができる３次元測量装置を提供すること。【解決手段】３次元測量装置１は、測距光３５を射出する光源部３１と、光源部３１から射出された測距光３５を測距光軸３６上に照射する投光光学部３３と、反射測距光を受光する受光光学部４１と、受光光学部４１を透過した反射測距光を第１反射分割光と第２反射分割光とに分割し第２反射分割光の強度を第１反射分割光の強度よりも減衰させて第１反射分割光および第２反射分割光を電気信号に変換する受光分割部４２と、測距光３５の照射方向を検出する角度検出部１４、１８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物に測距光を照射し測定対象物までの距離を測定するとともに測距光の照射方向を検出することにより、測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置に関する。

特許文献１には、測定対象物の多数点の３次元データ（３次元点群データ）を取得する３次元測量装置が開示されている。特許文献１に記載された３次元測量装置は、測距光としてパルスレーザ光線を測定対象物に照射し、測定対象物で反射したパルスレーザ毎の反射光を受光して、測定対象物までの距離を測定するとともに測距光の照射方向（水平角および鉛直角）を検出することにより、測定対象物の３次元データを取得する。特許文献１に開示された３次元測量装置として、一般的に、３次元レーザスキャナが知られている。

ここで、測定対象物の反射特性が比較的大きい場合には、測定対象物の所定部分で反射した反射光の光量が多すぎたり、反射光の強度が強すぎたりすることがある。例えば、３次元測量装置が工場内に配置された配管の３次元データを取得する場合には、配管の表面が曲面であるため、配管の表面で反射した反射光の強度が配管の部位に応じて大きく変化することがある。あるいは、例えば、３次元測量装置が道路に設置された標識を含む領域の３次元データを取得する場合には、標識が反射材等を表面に含むため、標識の表面で反射した反射光の強度が標識の表面以外で反射した反射光の強度と比較して強すぎることがある。そうすると、反射光の強度がダイナミックレンジの最大値よりも大きくなることがある。これにより、３次元測量装置の通常の走査において、測定対象物のうちで３次元データを取得できない部分が生ずることがある。

測定対象物のうちで３次元データを取得できない部分が生じた場合には、測定者は、例えば測量モードを変更して再測定を行うことがある。しかし、そうすると、３次元測量装置の走査時間が長くなるという問題がある。そのため、３次元測量装置に対して、ダイナミックレンジの拡大や走査時間の短縮が望まれている。

特開２０１６−２１１８７３号公報

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、ダイナミックレンジの拡大や走査時間の短縮を図ることができる３次元測量装置を提供することを目的とする。

前記課題は、本発明によれば、測定対象物に測距光を照射し、前記測距光が前記測定対象物で反射した反射測距光と内部参照光とに基づいて前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記測距光の照射方向を検出することにより前記測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置であって、前記測距光を射出する光源部と、前記光源部から射出された前記測距光を測距光軸上に照射する投光光学部と、前記反射測距光を受光する受光光学部と、前記受光光学部を透過した前記反射測距光を第１反射分割光と第２反射分割光とに分割し前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させて前記第１反射分割光および前記第２反射分割光を電気信号に変換する受光分割部と、前記測距光の前記照射方向を検出する角度検出部と、を備えたことを特徴とする３次元測量装置により解決される。

前記構成によれば、受光分割部は、受光光学部を透過した反射測距光を第１反射分割光と第２反射分割光とに分割し、第２反射分割光の強度を第１反射分割光の強度よりも減衰させる。そして、受光分割部は、第１反射分割光および第２反射分割光を電気信号に変換する。そのため、受光分割部は、相対的に高い強度の第１反射分割光と、相対的に低い強度の第２反射分割光と、の両方を受光することができる。これにより、測定対象物の反射特性が比較的大きい場合であっても、反射測距光の強度がダイナミックレンジの最大値よりも大きくなることを抑え、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。また、例えば測定者が測量モードを変更して再測定を行うことなく、受光分割部が第１反射分割光と第２反射分割光との両方を受光できるため、走査時間の短縮を図ることができる。

好ましくは、前記受光分割部は、前記反射測距光を前記第１反射分割光と前記第２反射分割光とに分割するビームスプリッタと、前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか一方を伝えるとともに前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか他方よりも遅延させる光ファイバと、前記第２反射分割光の光路に設けられ前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータと、前記第１反射分割光と強度が減衰した前記第２反射分割光とを受光し前記電気信号に変換する受光素子と、を有することを特徴とする。

前記構成によれば、ビームスプリッタは、反射測距光を第１反射分割光と第２反射分割光とに分割する。光ファイバは、第１反射分割光および第２反射分割光のいずれか一方を伝えるとともに第１反射分割光および第２反射分割光のいずれか他方よりも遅延させる。第２反射分割光の光路に設けられたアッテネータは、第２反射分割光の強度を第１反射分割光の強度よりも減衰させる。そして、受光素子は、第１反射分割光と、強度が減衰した第２反射分割光と、を受光し電気信号に変換する。そのため、受光素子は、相対的に高い強度の第１反射分割光と、相対的に低い強度の第２反射分割光と、を時間的間隔をおいて受光することができる。すなわち、受光分割部は、第１反射分割光と第２反射分割光との両方をひとつの受光素子で受光することができるとともに、第１反射分割光と第２反射分割光とを時間的間隔をおくことにより識別することができる。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに、走査時間の短縮を図ることができる。

好ましくは、前記受光分割部は、前記反射測距光を前記第１反射分割光と前記第２反射分割光とに分割するビームスプリッタと、前記第２反射分割光の光路に設けられ前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータと、前記第１反射分割光を受光し前記電気信号に変換する第１受光素子と、強度が減衰した前記第２反射分割光を受光し前記電気信号に変換する第２受光素子と、を有することを特徴とする。

前記構成によれば、ビームスプリッタは、反射測距光を第１反射分割光と第２反射分割光とに分割する。第２反射分割光の光路に設けられたアッテネータは、第２反射分割光の強度を第１反射分割光の強度よりも減衰させる。そして、第１受光素子は、第１反射分割光を受光し電気信号に変換する。また、第２受光素子は、強度が減衰した第２反射分割光を受光し電気信号に変換する。つまり、相対的に高い強度の第１反射分割光は、第１受光素子により受光され、相対的に低い強度の第２反射分割光は、第１受光素子とは異なる第２受光素子により受光される。そのため、受光分割部は、第１反射分割光および第２反射分割光のいずれか一方を第１反射分割光および第２反射分割光のいずれか他方に対して遅延させなくとも、第１反射分割光と第２反射分割光とをふたつの受光素子で受光し識別することができる。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに、走査時間の短縮を図ることができる。

好ましくは、前記受光分割部は、前記反射測距光を前記第１反射分割光と前記第２反射分割光とに所定の強度比率で分割する第１ファイバカプラと、前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか一方を伝えるとともに前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか他方よりも遅延させる第１光ファイバと、前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか他方を伝える第２光ファイバと、前記第１反射分割光と強度が減衰した前記第２反射分割光とを結合させる第２ファイバカプラと、前記第２ファイバカプラを通過した前記反射測距光を受光し前記電気信号に変換する受光素子と、を有することを特徴とする。

前記構成によれば、第１ファイバカプラは、反射測距光を第１反射分割光と第２反射分割光とに所定の強度比率で分割する。第１光ファイバは、第１反射分割光および第２反射分割光のいずれか一方を伝えるとともに第１反射分割光および第２反射分割光のいずれか他方よりも遅延させる。第２光ファイバは、第１反射分割光および第２反射分割光のいずれか他方を伝える。第２ファイバカプラは、第１反射分割光と、強度が減衰した第２反射分割光と、を結合させる。そして、受光素子は、第２ファイバカプラを通過した第１反射分割光および第２反射分割光を受光し電気信号に変換する。そのため、受光素子は、相対的に高い強度の第１反射分割光と、相対的に低い強度の第２反射分割光と、を時間的間隔をおいて受光することができる。すなわち、受光分割部は、第１反射分割光と第２反射分割光との両方をひとつの受光素子で受光することができるとともに、第１反射分割光と第２反射分割光とを時間的間隔をおくことにより識別することができる。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに、走査時間の短縮を図ることができる。

好ましくは、前記受光分割部は、前記第２反射分割光を伝える前記第１光ファイバおよび前記第２光ファイバのいずれか一方に設けられ前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータをさらに有することを特徴とする。

前記構成によれば、受光分割部は、第２反射分割光の強度を第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータをさらに有する。そのため、第１ファイバカプラにおいて設定された強度比率と、アッテネータにおいて設定された減衰比率と、により、ダイナミックレンジのさらなる拡大を図ることができる。また、アッテネータが設けられているため、第１ファイバカプラにおいて設定された強度比率が５０：５０であっても、受光素子は、相対的に高い強度の第１反射分割光と、相対的に低い強度の第２反射分割光と、を受光することができる。これにより、第１ファイバカプラにおける強度比率の設定の自由度を高めることができ、第１ファイバカプラの選択の自由度を高めることができる。

好ましくは、前記受光分割部は、前記反射測距光を前記第１反射分割光と前記第２反射分割光とに所定の強度比率で分割するファイバカプラと、前記第１反射分割光を伝える第１光ファイバと、前記第２反射分割光を伝える第２光ファイバと、前記第１光ファイバを伝わった前記第１反射分割光を受光し前記電気信号に変換する第１受光素子と、強度が減衰した前記第２反射分割光であって前記第２光ファイバを伝わった前記第２反射分割光を受光し前記電気信号に変換する第２受光素子と、を有することを特徴とする。

前記構成によれば、ファイバカプラは、反射測距光を第１反射分割光と第２反射分割光とに所定の強度比率で分割する。第１光ファイバは、第１反射分割光を伝える。第２光ファイバは、第２反射分割光を伝える。そして、第１受光素子は、第１光ファイバを伝わった第１反射分割光を受光し電気信号に変換する。第２受光素子は、強度が減衰した第２反射分割光であって第２光ファイバを伝わった第２反射分割光を受光し電気信号に変換する。つまり、相対的に高い強度の第１反射分割光は、第１受光素子により受光され、相対的に低い強度の第２反射分割光は、第１受光素子とは異なる第２受光素子により受光される。そのため、受光分割部は、第１反射分割光および第２反射分割光のいずれか一方を第１反射分割光および第２反射分割光のいずれか他方に対して遅延させなくとも、第１反射分割光と第２反射分割光とをふたつの受光素子で受光し識別することができる。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに、走査時間の短縮を図ることができる。

好ましくは、前記受光分割部は、前記第２光ファイバに設けられ前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータをさらに有することを特徴とする。

前記構成によれば、受光分割部は、第２反射分割光の強度を第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータをさらに有する。そのため、ファイバカプラにおいて設定された強度比率と、アッテネータにおいて設定された減衰比率と、により、ダイナミックレンジのさらなる拡大を図ることができる。また、アッテネータが設けられているため、ファイバカプラにおいて設定された強度比率が５０：５０であっても、相対的に高い強度の第１反射分割光は、第１受光素子により受光され、相対的に低い強度の第２反射分割光は、第１受光素子とは異なる第２受光素子により受光される。これにより、ファイバカプラにおける強度比率の設定の自由度を高めることができ、ファイバカプラの選択の自由度を高めることができる。

本発明によれば、ダイナミックレンジの拡大や走査時間の短縮を図ることができる３次元測量装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る３次元測量装置を表すブロック図である。 本実施形態に係る３次元測量装置の制御系を説明するブロック図である。 受光分割部の第１具体例の光学系を表す平面図である。 本具体例の受光素子が受光する反射測距光の強度と時間との関係を表すグラフである。 受光分割部の第２具体例の光学系を表す平面図である。 本具体例の受光素子が受光する反射測距光の強度と時間との関係を表すグラフである。 受光分割部の第３具体例を説明する平面図である。 本具体例の受光素子が受光する反射測距光の強度と時間との関係を表すグラフである。 受光分割部の第４具体例を説明する平面図である。 受光分割部の第５具体例を説明する平面図である。 受光分割部の第６具体例を説明する平面図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る３次元測量装置を表すブロック図である。
本実施形態の説明では、３次元測量装置が３次元レーザスキャナである場合を例に挙げる。

図１に表したように、３次元測量装置１は、三脚（図示せず）に取付けられる整準部２と、整準部２に設けられた基盤部３と、基盤部３に水平回転部４を介して水平方向に回転可能に設けられた托架部５と、托架部５に鉛直回転軸６を中心に鉛直方向（高低方向）に回転可能に設けられた走査ミラー７と、を備える。

整準部２は、例えば３つの調整螺子８を有する。整準部２の整準は、托架部５に設けられた傾斜センサ（図示せず）が水平を検出するように調整螺子８が調整されることにより行われる。

水平回転部４は、基盤部３に軸受９を介して回転自在に設けられ、鉛直に支持された水平回転軸１１を有している。托架部５は、水平回転軸１１に支持され、水平回転軸１１と一体的に回転する。

水平回転部４には、水平駆動モータ１２を含む水平駆動部１３と、水平回転軸１１の回転角を検出する水平角検出器（例えばエンコーダ）１４と、が収納されている。托架部５は、水平駆動モータ１２から伝達された駆動力により水平回転軸１１を中心に回転する。水平回転軸１１の基盤部３に対する回転角（すなわち托架部５の回転角）は、水平角検出器１４によって検出される。

水平角検出器１４の検出結果（水平角）は、制御演算部１５に入力される。水平駆動モータ１２の駆動は、水平角検出器１４の検出結果に基づいて制御演算部１５により制御される。

托架部５の中央部には、凹部１６が形成されている。凹部１６の両側には、第１室５ａおよび第２室５ｂが形成されている。第１室５ａ（図１では左側の室）には、鉛直駆動部１７と、鉛直角検出器１８と、が収納されている。第２室５ｂ（図１では右側の室）には、測距発光部１９と、共通光路部２１と、測距部２２と、撮像部２３と、が収納されている。托架部５の内部の所要位置には、制御演算部１５が収納されている。また、托架部５の所要部分には、表示部２５と、操作部２６と、が設けられている。

鉛直回転軸６は、水平に延びた軸心を有し、托架部５に軸受２７を介して回転自在に支持されている。鉛直回転軸６の一端部は、凹部１６に突出している。走査ミラー７は、凹部１６に突出した鉛直回転軸６の一端部に設けられ、鉛直回転軸６の軸心に対して４５°傾いている。走査ミラー７は、鉛直回転軸６によって凹部１６内において支持され、鉛直回転軸６を中心に鉛直方向に回転することができる。

鉛直駆動部１７は、鉛直回転軸６を回転させる鉛直駆動モータ２８を有する。走査ミラー７は、鉛直回転軸６を介して鉛直駆動モータ２８から伝達された駆動力により回転する。本実施形態の走査部２９は、鉛直回転軸６と、走査ミラー７と、鉛直駆動モータ２８と、を有する。

鉛直回転軸６の他方の一端部には、鉛直角検出器１８（例えばインクリメンタルエンコーダ）が設けられている。托架部５に対する鉛直回転軸６の回転角は、鉛直角検出器１８により検出される。鉛直角検出器１８の検出結果（鉛直角）は、制御演算部１５に入力される。鉛直駆動モータ２８の駆動は、鉛直角検出器１８の検出結果に基づいて制御演算部１５により制御される。

測距発光部１９は、測距光源部３１と、ハーフミラーやビームスプリッタ等の光路分割部材３２と、対物レンズ等を含む投光光学部３３と、ミラー３４と、を有している。測距光源部３１は、例えば半導体レーザ等であり、測距光３５を測距光軸３６上に射出する。本実施形態の測距光３５は、不可視光としての赤外光のパルスレーザ光線である。測距光源部３１は、制御演算部１５に制御され、所要の光強度や所要のパルス間隔などを含む所要の状態でパルス光を発光する。

共通光路部２１は、第１ビームスプリッタ３８と、第２ビームスプリッタ３９と、を有している。測距部２２は、集光レンズなどを含む受光光学部４１と、受光分割部４２と、を有している。受光分割部４２は、測距光３５が測定対象物（図示せず）で反射した反射測距光であって受光光学部４１を透過した反射測距光を、第１反射分割光と、第２反射分割光と、に分割する。また、受光分割部４２は、第２反射分割光の強度を第１反射分割光の強度よりも減衰させる。そして、受光分割部４２は、第１反射分割光および第２反射分割光を電気信号に変換する。受光分割部４２の詳細については、後述する。

測距光源部３１より出力された測距光３５の一部は、光路分割部材３２を透過し、投光光学部３３を介してミラー３４に入射する。ミラー３４に入射した測距光３５は、ミラー３４で反射し共通光路部２１へ導かれる。測距光源部３１より出力された測距光３５の他の一部は、光路分割部材３２で反射し、内部参照光として内部参照光路３７へ導かれる。

ミラー３４で反射した測距光３５は、第１ビームスプリッタ３８と、第２ビームスプリッタ３９と、で順次反射し走査ミラー７へ導かれる。なお、第１ビームスプリッタ３８と、第２ビームスプリッタ３９と、を透過した測距光３５は、図示しない反射防止部材により吸収される。

走査ミラー７は、偏向光学部材であり、水平方向から入射した測距光３５を直角に反射し、走査ミラー７に入射した反射測距光を第２ビームスプリッタ３９に向って水平方向に反射する。

共通光路部２１から走査ミラー７に導かれた測距光３５は、走査ミラー７で反射し、測定対象物に照射される。走査ミラー７が鉛直回転軸６を中心に回転すると、測距光３５は、鉛直面内で回転照射される。また、托架部５が水平回転部４により水平方向に回転すると、測距光３５は、水平回転軸１１を中心に水平方向に回転照射される。従って、走査ミラー７の鉛直方向の回転と、托架部５の水平方向の回転と、の協働により、３次元測量装置１は、測定範囲全域を測距光３５により走査することができる。

測定範囲内に存在する測定対象物で反射した反射測距光は、走査ミラー７に入射する。走査ミラー７に入射した反射測距光は、走査ミラー７で反射し、共通光路部２１に入射する。反射測距光は、第２ビームスプリッタ３９で反射し、第１ビームスプリッタ３８を透過し、測距部２２へ導かれる。

測距部２２は、第１ビームスプリッタ３８を透過した反射測距光を受光するとともに、内部参照光路３７により導かれた内部参照光を受光する。測距部２２の受光分割部４２において、反射測距光および内部参照光は、反射測距光電気信号および内部参照光電気信号のそれぞれに変換され、制御演算部１５へ送られる。測定対象物までの距離は、反射測距光電気信号と内部参照光電気信号との間の時間的間隔の差に基づいて測定される。

制御演算部１５は、測定した測定対象物までの距離と、鉛直角検出器１８により検出された鉛直角と、水平角検出器１４により検出された水平角と、に基づいて、測定対象物の座標値を算出する。また、制御演算部１５は、パルス光毎の測定対象物の座標値を記録することで、測定範囲全域に関する点群データ、あるいは測定対象物に関する点群データを得ることができる。測距光軸３６の方向を検出する角度検出部は、水平角検出器１４と、鉛直角検出器１８と、を有する。すなわち、測距光３５の照射方向は、水平角検出器１４と、鉛直角検出器１８と、を有する角度検出部により検出される。

撮像部２３の撮像光軸上には、撮像素子４５が設けられている。撮像素子４５は、画素（ピクセル）の集合体を有し、デジタル画像信号を出力する。撮像素子４５としては、例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどが挙げられる。撮像素子４５の各画素の撮像素子４５内における位置は、特定可能とされている。

図２は、本実施形態に係る３次元測量装置の制御系を説明するブロック図である。
制御演算部１５には、操作部２６と、鉛直角検出器１８と、水平角検出器１４と、が電気的に接続されている。制御演算部１５には、鉛直角検出器１８および水平角検出器１４のそれぞれから出力された角度検出信号が入力されるとともに、作業者の操作に基づいて操作部２６から出力された操作信号が入力される。

作業者は、３次元測量装置１の測定を開始するために必要な条件の設定を操作部２６により行う。必要な条件の設定としては、例えば測定範囲の設定、点群データ密度（ピッチ）の設定、あるいは撮像時の撮像条件の設定などが挙げられる。操作部２６により入力された設定条件等は、表示部２５に表示される。これにより、作業者は、操作部２６により入力した設定条件等を表示部２５において確認することができる。なお、操作部２６や表示部２５は、托架部５に設けられてもよく、あるいは托架部５とは独立して設けられ、無線や赤外線等の信号伝達媒体により遠隔操作可能とされていてもよい。

制御演算部１５は、測距光源部３１と、水平駆動モータ１２と、鉛直駆動モータ２８と、を駆動するとともに、作業状況や測定結果などを表示する表示部２５を制御する。また、制御演算部１５には、メモリーカードやＨＤＤなどの外部記憶装置４６が設けられる。外部記憶装置４６は、制御演算部１５に固定的に設けられてもよく、あるいは着脱可能に設けられてもよい。

制御演算部１５は、ＣＰＵに代表される演算部４７と、記憶部４８と、測距光源部３１の発光を制御する測距発光駆動部４９と、水平駆動モータ１２を駆動制御する水平駆動部１３と、鉛直駆動モータ２８を駆動制御する鉛直駆動部１７と、を有している。また、制御演算部１５は、測距部２２により得られた距離データを処理する距離データ処理部５１と、撮像部２３により得られた画像データを処理する画像データ処理部５２と、を有している。

記憶部４８は、測距、鉛直角の測定、および水平角の測定を実行させるシーケンスプログラム、測距の演算等を行う演算プログラム、測定データの処理を実行する測定データ処理プログラム、撮像部２３の撮像状態を制御する撮像プログラム、画像処理を実行する画像処理プログラム、データを表示部２５に表示させる画像表示プログラム等のプログラム、あるいはこれらのプログラムを統合管理するプログラム等を格納する。また、記憶部４８は、測定データや画像データなどのデータを格納する。

なお、演算部４７は、距離データ処理部５１の機能および画像データ処理部５２の機能を有していてもよい。この場合には、距離データ処理部５１および画像データ処理部５２は、必ずしも設けられていなくともよい。

また、距離データ処理部５１および画像データ処理部５２は、制御演算部１５とは別に設けられていてもよい。例えば、制御演算部１５とは別のパソコンが、距離データ処理部５１と画像データ処理部５２との機能を実行してもよい。この場合には、例えば、距離データおよび画像データは、３次元測量装置１とパソコンとに設けられた通信手段を介して３次元測量装置１からパソコンへ送信される。そして、パソコンが、距離データ処理および画像データ処理を実行する。通信手段としては、例えば、光通信、無線通信、ＬＡＮなどの通信手段が挙げられる。

このような３次元測量装置において、測定対象物の反射特性が比較的大きい場合には、測定対象物の所定部分で反射した反射光の光量が多すぎたり、反射光の強度が強すぎたりすることがある。そうすると、反射光の強度がダイナミックレンジの最大値よりも大きくなることがある。これにより、３次元測量装置の通常の走査において、測定対象物のうちで３次元データを取得できない部分が生ずることがある。

これに対して、本実施形態に係る３次元測量装置１によれば、受光分割部４２は、受光光学部４１を透過した反射測距光を第１反射分割光と第２反射分割光とに分割し、第２反射分割光の強度を第１反射分割光の強度よりも減衰させる。そして、受光分割部４２は、第１反射分割光および第２反射分割光を電気信号に変換する。そのため、受光分割部４２は、相対的に高い強度の第１反射分割光と、相対的に低い強度の第２反射分割光と、の両方を受光することができる。これにより、測定対象物の反射特性が比較的大きい場合であっても、反射測距光の強度がダイナミックレンジの最大値よりも大きくなることを抑え、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。また、例えば測定者が測量モードを変更して再測定を行うことなく、受光分割部４２が第１反射分割光と第２反射分割光との両方を受光できるため、走査時間の短縮を図ることができる。

次に、本実施形態の受光分割部の具体例を、図面を参照して説明する。
図３は、受光分割部の第１具体例の光学系を表す平面図である。
図４は、本具体例の受光素子が受光する反射測距光の強度と時間との関係を表すグラフである。
なお、図４に表したグラフの横軸は、時間を表している。図４に表したグラフの縦軸は、本具体例の受光素子が受光する反射測距光の強度を表している。

図３に表したように、本具体例の受光分割部４２は、ビームスプリッタ４２１と、アッテネータ４２２と、光ファイバ４２３と、受光素子４２４と、を有する。ビームスプリッタ４２１は、受光光学部４１を透過した反射測距光６１を、第１反射分割光６２と、第２反射分割光６３と、に分割する。本具体例では、ビームスプリッタ４２１を透過した反射測距光は、第１反射分割光６２として受光素子４２４へ導かれ、受光素子４２４において受光される。一方で、ビームスプリッタ４２１で反射した反射測距光は、第２反射分割光６３としてアッテネータ４２２へ導かれる。ビームスプリッタ４２１が反射測距光６１を第１反射分割光６２と第２反射分割光６３とに分割する強度比率は、特には限定されず、例えば５０：５０であってもよい。すなわち、本願明細書において、受光分割部が有する「ビームスプリッタ」には、ハーフミラーが含まれる。

アッテネータ４２２は、第２反射分割光６３の光路に設けられ、第２反射分割光６３の強度を第１反射分割光６２の強度よりも減衰させる。つまり、第２反射分割光６３がアッテネータ４２２を通過すると、第２反射分割光６３の強度は、第１反射分割光６２の強度よりも低い強度に減衰する。強度が減衰した第２反射分割光６３は、光ファイバ４２３に入射する。

光ファイバ４２３は、第２反射分割光６３を伝えるとともに第１反射分割光６２よりも遅延させる。すなわち、光ファイバ４２３に入射した第２反射分割光６３は、光ファイバ４２３の内部を伝わり、光ファイバ４２３から射出されてビームスプリッタ４２１で反射する。ビームスプリッタ４２１で反射した第２反射分割光６３は、受光素子４２４へ導かれ、受光素子４２４において受光される。このとき、第２反射分割光６３の光路長は、第１反射分割光６２の光路長よりも長い。そのため、図４に表したように、強度が第１反射分割光６２の強度よりも減衰した第２反射分割光６３は、第１反射分割光６２よりも遅れて受光素子４２４において受光される。そして、受光素子４２４は、第１反射分割光６２と、強度が減衰した第２反射分割光６３と、を受光し電気信号に変換する。

本具体例によれば、受光素子４２４は、相対的に高い強度の第１反射分割光６２と、相対的に低い強度の第２反射分割光６３と、を時間的間隔をおいて受光することができる。すなわち、受光分割部４２は、第１反射分割光６２と第２反射分割光６３との両方をひとつの受光素子４２４で受光することができるとともに、第１反射分割光６２と第２反射分割光６３とを時間的間隔をおくことにより識別することができる。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに、走査時間の短縮を図ることができる。

なお、光ファイバ４２３は、第１反射分割光６２を伝えるとともに第２反射分割光６３よりも遅延させてもよい。すなわち、第１反射分割光６２は、光ファイバ４２３の内部を伝わり、強度が減衰した第２反射分割光６３よりも遅れて受光素子４２４において受光されてもよい。この場合であっても、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに、走査時間の短縮を図ることができる。

図５は、受光分割部の第２具体例の光学系を表す平面図である。
図６は、本具体例の受光素子が受光する反射測距光の強度と時間との関係を表すグラフである。
なお、図６（ａ）は、第１受光素子が受光する第１反射分割光の強度と時間との関係を表すグラフである。図６（ｂ）は、第２受光素子が受光する第２反射分割光の強度と時間との関係を表すグラフである。また、図６（ａ）および図６（ｂ）に表したグラフの横軸は、時間を表している。図６（ａ）および図６（ｂ）に表したグラフの縦軸は、本具体例の受光素子が受光する反射測距光の強度を表している。

図５に表したように、本具体例の受光分割部４２Ａは、ビームスプリッタ４２１と、アッテネータ４２２と、第１受光素子４２５と、第２受光素子４２６と、を有する。ビームスプリッタ４２１は、受光光学部４１を透過した反射測距光６１を、第１反射分割光６２と、第２反射分割光６３と、に分割する。本具体例では、図５および図６（ａ）に表したように、ビームスプリッタ４２１で反射した反射測距光は、第１反射分割光６２として第１受光素子４２５へ導かれ、第１受光素子４２５において受光される。そして、第１受光素子４２５は、第１反射分割光６２を電気信号に変換する。一方で、ビームスプリッタ４２１を透過した反射測距光は、第２反射分割光６３としてアッテネータ４２２へ導かれる。

アッテネータ４２２は、第２反射分割光６３の光路に設けられ、第２反射分割光６３の強度を第１反射分割光６２の強度よりも減衰させる。つまり、第２反射分割光６３がアッテネータ４２２を通過すると、第２反射分割光６３の強度は、第１反射分割光６２の強度よりも低い強度に減衰する。図６（ｂ）に表したように、強度が減衰した第２反射分割光６３は、第２受光素子４２６へ導かれ、第２受光素子４２６において受光される。そして、第２受光素子４２６は、第２反射分割光６３を電気信号に変換する。

本具体例によれば、相対的に高い強度の第１反射分割光６２は、第１受光素子４２５により受光され、相対的に低い強度の第２反射分割光６３は、第１受光素子４２５とは異なる第２受光素子４２６により受光される。そのため、本具体例の受光分割部４２Ａは、第１反射分割光６２および第２反射分割光６３のいずれか一方を第１反射分割光６２および第２反射分割光６３のいずれか他方に対して遅延させなくとも、第１反射分割光６２と第２反射分割光６３とをふたつの受光素子（第１受光素子４２５および第２受光素子４２６）で受光し識別することができる。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに、走査時間の短縮を図ることができる。

なお、第１受光素子４２５が第１反射分割光６２を受光するタイミングと、第２受光素子４２６が第２反射分割光６３を受光するタイミングと、は特には限定されず、必ずしも互いに同じでなくともよい。第１反射分割光６２および第２反射分割光６３のいずれか一方が、第１反射分割光６２および第２反射分割光６３のいずれか他方に対して遅れて受光されてもよい。

図７は、受光分割部の第３具体例を説明する平面図である。
図８は、本具体例の受光素子が受光する反射測距光の強度と時間との関係を表すグラフである。
なお、図８に表したグラフの横軸は、時間を表している。図８に表したグラフの縦軸は、本具体例の受光素子が受光する反射測距光の強度を表している。

図７に表したように、本具体例の受光分割部４２Ｂは、入射側光ファイバ４３１と、第１ファイバカプラ４２７と、第１光ファイバ４３２と、第２光ファイバ４３３と、第２ファイバカプラ４２８と、射出側光ファイバ４３４と、受光素子４２４と、を有する。受光光学部４１を透過した反射測距光６１は、入射側光ファイバ４３１の内部を伝わり、第１ファイバカプラ４２７へ導かれる。

第１ファイバカプラ４２７は、反射測距光６１を、第１反射分割光６２と、第２反射分割光６３と、に所定の強度比率で分割する。本具体例では、第１ファイバカプラ４２７は、反射測距光６１を、相対的に高い強度の第１反射分割光６２と、相対的に低い強度の第２反射分割光６３と、に分割する。第１反射分割光６２は、第１光ファイバ４３２の内部を伝わり、第２ファイバカプラ４２８へ導かれる。第２反射分割光６３は、第２光ファイバ４３３の内部を伝わり、第２ファイバカプラ４２８へ導かれる。

ここで、第１光ファイバ４３２は、第１反射分割光６２を伝えるとともに第２反射分割光６３よりも遅延させる。すなわち、第１光ファイバ４３２の長さは、第２光ファイバ４３３の長さよりも長い。そのため、第１反射分割光６２の光路長は、第２反射分割光６３の光路長よりも長い。そのため、第１反射分割光６２は、第２反射分割光６３よりも遅れて第２ファイバカプラ４２８へ伝わる。第２ファイバカプラ４２８へ伝わった第１反射分割光６２および第２反射分割光６３は、第２ファイバカプラ４２８により互いに結合され、受光素子４２４へ導かれる。これにより、図８に表したように、強度が第１反射分割光６２の強度よりも減衰した第２反射分割光６３は、第１反射分割光６２よりも先に受光素子４２４において受光される。受光素子４２４は、第１反射分割光６２と、強度が減衰した第２反射分割光６３と、を受光し電気信号に変換する。

本具体例によれば、受光素子４２４は、相対的に高い強度の第１反射分割光６２と、相対的に低い強度の第２反射分割光６３と、を時間的間隔をおいて受光することができる。すなわち、受光分割部４２Ｂは、第１反射分割光６２と第２反射分割光６３との両方をひとつの受光素子４２４で受光することができるとともに、第１反射分割光６２と第２反射分割光６３とを時間的間隔をおくことにより識別することができる。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに、走査時間の短縮を図ることができる。

なお、第２光ファイバ４３３の長さが、第１光ファイバ４３２の長さよりも長くともよい。あるいは、第１光ファイバ４３２が、第２反射分割光６３を伝えるとともに第１反射分割光６２よりも遅延させてもよい。すなわち、第２反射分割光６３が、第１反射分割光６２よりも遅れて第２ファイバカプラ４２８へ伝わってもよい。この場合には、受光素子４２４が受光する第１反射分割光６２および第２反射分割光６３の強度と時間との関係を表すグラフは、図４に関して前述したグラフと同様になる。

図９は、受光分割部の第４具体例を説明する平面図である。
本具体例の受光分割部４２Ｃは、入射側光ファイバ４３１と、ファイバカプラ４２９と、第１光ファイバ４３２と、第２光ファイバ４３３と、第１受光素子４２５と、第２受光素子４２６と、を有する。受光光学部４１を透過した反射測距光６１は、入射側光ファイバ４３１の内部を伝わり、ファイバカプラ４２９へ導かれる。

ファイバカプラ４２９は、反射測距光６１を、第１反射分割光６２と、第２反射分割光６３と、に所定の強度比率で分割する。本具体例では、ファイバカプラ４２９は、反射測距光６１を、相対的に高い強度の第１反射分割光６２と、相対的に低い強度の第２反射分割光６３と、に分割する。第１反射分割光６２は、第１光ファイバ４３２の内部を伝わり、第１受光素子４２５へ導かれ、第１受光素子４２５において受光される。第１受光素子４２５が受光する第１反射分割光６２の強度と時間との関係を表すグラフは、図６（ａ）に関して前述したグラフと同様になる。そして、第１受光素子４２５は、第１反射分割光６２を電気信号に変換する。

一方で、第２反射分割光６３は、第２光ファイバ４３３の内部を伝わり、第２受光素子４２６へ導かれ、第２受光素子４２６において受光される。第２受光素子４２６が受光する第２反射分割光６３の強度と時間との関係を表すグラフは、図６（ｂ）に関して前述したグラフと同様になる。そして、第２受光素子４２６は、第２反射分割光６３を電気信号に変換する。

本具体例によれば、相対的に高い強度の第１反射分割光６２は、第１受光素子４２５により受光され、相対的に低い強度の第２反射分割光６３は、第１受光素子４２５とは異なる第２受光素子４２６により受光される。そのため、本具体例の受光分割部４２Ｃは、第１反射分割光６２および第２反射分割光６３のいずれか一方を第１反射分割光６２および第２反射分割光６３のいずれか他方に対して遅延させなくとも、第１反射分割光６２と第２反射分割光６３とをふたつの受光素子（第１受光素子４２５および第２受光素子４２６）で受光し識別することができる。これにより、ダイナミックレンジの拡大を図ることができるとともに、走査時間の短縮を図ることができる。

なお、第１受光素子４２５が第１反射分割光６２を受光するタイミングと、第２受光素子４２６が第２反射分割光６３を受光するタイミングと、は特には限定されず、必ずしも互いに同じでなくともよい。第１反射分割光６２および第２反射分割光６３のいずれか一方が、第１反射分割光６２および第２反射分割光６３のいずれか他方に対して遅れて受光されてもよい。

図１０は、受光分割部の第５具体例を説明する平面図である。
本具体例の受光分割部４２Ｄは、図７および図８に関して前述した第３具体例の受光分割部４２Ｂと比較して、アッテネータ４２２をさらに有する。この点において、本具体例の受光分割部４２Ｄは、図７および図８に関して前述した第３具体例の受光分割部４２Ｂとは異なる。

本具体例のアッテネータ４２２は、第２光ファイバ４３３に設けられ、第２反射分割光６３の強度を第１反射分割光６２の強度よりも減衰させる。つまり、第２光ファイバ４３３を伝わった第２反射分割光６３がアッテネータ４２２を通過すると、第２反射分割光６３の強度は、第１反射分割光６２の強度よりも低い強度に減衰する。その他の構造は、図７および図８に関して前述した第３具体例の受光分割部４２Ｂの構造と同様である。また、受光素子４２４が受光する第１反射分割光６２および第２反射分割光６３の強度と時間との関係を表すグラフは、図８に関して前述したグラフと同様になる。

本具体例によれば、第１ファイバカプラ４２７において設定された強度比率と、アッテネータ４２２において設定された減衰比率と、により、ダイナミックレンジのさらなる拡大を図ることができる。また、アッテネータ４２２が設けられているため、第１ファイバカプラ４２７において設定された強度比率が５０：５０であっても、受光素子４２４は、相対的に高い強度の第１反射分割光６２と、相対的に低い強度の第２反射分割光６３と、を受光することができる。これにより、第１ファイバカプラ４２７における強度比率の設定の自由度を高めることができ、第１ファイバカプラ４２７の選択の自由度を高めることができる。

なお、図７および図８に関して前述したように、第２光ファイバ４３３の長さが、第１光ファイバ４３２の長さよりも長くともよい。あるいは、第１光ファイバ４３２が、第２反射分割光６３を伝えるとともに第１反射分割光６２よりも遅延させてもよい。すなわち、第２反射分割光６３が、第１反射分割光６２よりも遅れて第２ファイバカプラ４２８へ伝わってもよい。第１光ファイバ４３２が第２反射分割光６３を伝える場合には、アッテネータ４２２は、第１光ファイバ４３２に設けられる。

図１１は、受光分割部の第６具体例を説明する平面図である。
本具体例の受光分割部４２Ｅは、図９に関して前述した第４具体例の受光分割部４２Ｃと比較して、アッテネータ４２２をさらに有する。この点において、本具体例の受光分割部４２Ｅは、図９に関して前述した第４具体例の受光分割部４２Ｃとは異なる。

本具体例のアッテネータ４２２は、第２光ファイバ４３３に設けられ、第２反射分割光６３の強度を第１反射分割光６２の強度よりも減衰させる。つまり、第２光ファイバ４３３を伝わった第２反射分割光６３がアッテネータ４２２を通過すると、第２反射分割光６３の強度は、第１反射分割光６２の強度よりも低い強度に減衰する。その他の構造は、図９に関して前述した第４具体例の受光分割部４２Ｃの構造と同様である。また、第１受光素子４２５が受光する第１反射分割光６２の強度と時間との関係を表すグラフは、図６（ａ）に関して前述したグラフと同様になる。第２受光素子４２６が受光する第２反射分割光６３の強度と時間との関係を表すグラフは、図６（ｂ）に関して前述したグラフと同様になる。

本具体例によれば、ファイバカプラ４２９において設定された強度比率と、アッテネータ４２２において設定された減衰比率と、により、ダイナミックレンジのさらなる拡大を図ることができる。また、アッテネータ４２２が設けられているため、ファイバカプラ４２９において設定された強度比率が５０：５０であっても、相対的に高い強度の第１反射分割光６２は、第１受光素子４２５により受光され、相対的に低い強度の第２反射分割光６３は、第１受光素子４２５とは異なる第２受光素子４２６により受光される。これにより、ファイバカプラ４２９における強度比率の設定の自由度を高めることができ、ファイバカプラ４２９の選択の自由度を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。

１・・・３次元測量装置、 ２・・・整準部、 ３・・・基盤部、 ４・・・水平回転部、 ５・・・托架部、 ５ａ・・・第１室、 ５ｂ・・・第２室、 ６・・・鉛直回転軸、 ７・・・走査ミラー、 ８・・・調整螺子、 ９・・・軸受、 １１・・・水平回転軸、 １２・・・水平駆動モータ、 １３・・・水平駆動部、 １４・・・水平角検出器、 １５・・・制御演算部、 １６・・・凹部、 １７・・・鉛直駆動部、 １８・・・鉛直角検出器、 １９・・・測距発光部、 ２１・・・共通光路部、 ２２・・・測距部、 ２３・・・撮像部、 ２５・・・表示部、 ２６・・・操作部、 ２７・・・軸受、 ２８・・・鉛直駆動モータ、 ２９・・・走査部、 ３１・・・測距光源部、 ３２・・・光路分割部材、 ３３・・・投光光学部、 ３４・・・ミラー、 ３５・・・測距光、 ３６・・・測距光軸、 ３７・・・内部参照光路、 ３８・・・第１ビームスプリッタ、 ３９・・・第２ビームスプリッタ、 ４１・・・受光光学部、 ４２、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ、４２Ｅ・・・受光分割部、 ４５・・・撮像素子、 ４６・・・外部記憶装置、 ４７・・・演算部、 ４８・・・記憶部、 ４９・・・測距発光駆動部、 ５１・・・距離データ処理部、 ５２・・・画像データ処理部、 ６１・・・反射測距光、 ６２・・・第１反射分割光、 ６３・・・第２反射分割光、 ４２１・・・ビームスプリッタ、 ４２２・・・アッテネータ、 ４２３・・・光ファイバ、 ４２４・・・受光素子、 ４２５・・・第１受光素子、 ４２６・・・第２受光素子、 ４２７・・・第１ファイバカプラ、 ４２８・・・第２ファイバカプラ、 ４２９・・・ファイバカプラ、 ４３１・・・入射側光ファイバ、 ４３２・・・第１光ファイバ、 ４３３・・・第２光ファイバ、 ４３４・・・射出側光ファイバ

Claims (7)

1. 測定対象物に測距光を照射し、前記測距光が前記測定対象物で反射した反射測距光と内部参照光とに基づいて前記測定対象物までの距離を測定するとともに前記測距光の照射方向を検出することにより前記測定対象物の３次元データを取得する３次元測量装置であって、
   前記測距光を射出する光源部と、
   前記光源部から射出された前記測距光を測距光軸上に照射する投光光学部と、
   前記反射測距光を受光する受光光学部と、
   前記受光光学部を透過した前記反射測距光を第１反射分割光と第２反射分割光とに分割し前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させて前記第１反射分割光および前記第２反射分割光を電気信号に変換する受光分割部と、
   前記測距光の前記照射方向を検出する角度検出部と、
   を備えたことを特徴とする３次元測量装置。
2. 前記受光分割部は、
   前記反射測距光を前記第１反射分割光と前記第２反射分割光とに分割するビームスプリッタと、
   前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか一方を伝えるとともに前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか他方よりも遅延させる光ファイバと、
   前記第２反射分割光の光路に設けられ前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータと、
   前記第１反射分割光と強度が減衰した前記第２反射分割光とを受光し前記電気信号に変換する受光素子と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の３次元測量装置。
3. 前記受光分割部は、
   前記反射測距光を前記第１反射分割光と前記第２反射分割光とに分割するビームスプリッタと、
   前記第２反射分割光の光路に設けられ前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータと、
   前記第１反射分割光を受光し前記電気信号に変換する第１受光素子と、
   強度が減衰した前記第２反射分割光を受光し前記電気信号に変換する第２受光素子と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の３次元測量装置。
4. 前記受光分割部は、
   前記反射測距光を前記第１反射分割光と前記第２反射分割光とに所定の強度比率で分割する第１ファイバカプラと、
   前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか一方を伝えるとともに前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか他方よりも遅延させる第１光ファイバと、
   前記第１反射分割光および前記第２反射分割光のいずれか他方を伝える第２光ファイバと、
   前記第１反射分割光と強度が減衰した前記第２反射分割光とを結合させる第２ファイバカプラと、
   前記第２ファイバカプラを通過した前記反射測距光を受光し前記電気信号に変換する受光素子と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の３次元測量装置。
5. 前記受光分割部は、前記第２反射分割光を伝える前記第１光ファイバおよび前記第２光ファイバのいずれか一方に設けられ前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータをさらに有することを特徴とする請求項４に記載の３次元測量装置。
6. 前記受光分割部は、
   前記反射測距光を前記第１反射分割光と前記第２反射分割光とに所定の強度比率で分割するファイバカプラと、
   前記第１反射分割光を伝える第１光ファイバと、
   前記第２反射分割光を伝える第２光ファイバと、
   前記第１光ファイバを伝わった前記第１反射分割光を受光し前記電気信号に変換する第１受光素子と、
   強度が減衰した前記第２反射分割光であって前記第２光ファイバを伝わった前記第２反射分割光を受光し前記電気信号に変換する第２受光素子と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の３次元測量装置。
7. 前記受光分割部は、前記第２光ファイバに設けられ前記第２反射分割光の強度を前記第１反射分割光の強度よりも減衰させるアッテネータをさらに有することを特徴とする請求項６に記載の３次元測量装置。
   
   

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